【卷首語】

啁啾脈沖放大技術(shù)的發(fā)明人Gérard Mourou教授從美國密歇根大學(xué)回到歐洲以后，建議歐盟建設(shè)一個(gè)100PW量級(jí)的超強(qiáng)激光裝置。經(jīng)過歐盟國家之間的討論，最后決定在捷克、匈牙利和羅馬尼亞三個(gè)歐洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展第二梯度的國家建立科學(xué)應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)不同的超強(qiáng)激光及用戶裝置。本公眾號(hào)從本期開始將邀請(qǐng)?jiān)诔瑥?qiáng)激光領(lǐng)域工作多年的激光科學(xué)家分別就ELI的三個(gè)子裝置進(jìn)行詳細(xì)介紹。我們將分三期介紹ELI的激光裝置參數(shù)，之后將陸續(xù)推出ELI激光物理實(shí)驗(yàn)介紹以及各子裝置的招聘需求，敬請(qǐng)關(guān)注

本期介紹的ELI-BEAMLINE激光裝置位于捷克共和國【1】。該裝置的激光系統(tǒng)分為獨(dú)立的四束，命名方法簡單粗暴，L1、L2、L3、L4分別對(duì)應(yīng)：高重復(fù)頻率15fs OPCPA系統(tǒng)、10Hz OPCPA拍瓦激光系統(tǒng)、 10Hz 鈦寶石拍瓦激光系統(tǒng)、單發(fā)千焦拍瓦激光系統(tǒng)。下面將對(duì)這四個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

L1激光束：光學(xué)參量放大系統(tǒng)（100mJ/15fs）

該激光基于短脈沖泵浦的OPCPA技術(shù)，采用同源種子的光同步方案，設(shè)計(jì)指標(biāo)為100mJ/15fs/1kHz。系統(tǒng)的種子源是一臺(tái)超寬譜的鈦寶石振蕩器，這臺(tái)振蕩器的特殊之處在于不僅可以提供OPA的寬帶信號(hào)光，而且光譜可拓展到1030nm,為OPA的泵浦光提供種子源，自然的光同步方案保證了OPA過程所要求的嚴(yán)格時(shí)間同步，配合主動(dòng)同步反饋控制，同步精度可達(dá)百阿秒量級(jí)。OPA的泵浦激光采用Thin-disk技術(shù)，該技術(shù)是目前高重復(fù)頻率高能量激光的首選，在激光器的熱管理方面具有極大的優(yōu)勢。德國通快公司是這項(xiàng)核心技術(shù)的行業(yè)引領(lǐng)者，L1激光和通快的科學(xué)激光事業(yè)部合作一起研發(fā)這種性能優(yōu)勢的泵浦源。另外，需要著重介紹的一點(diǎn)是捷克在自主研發(fā)全半導(dǎo)體泵浦Yb激光領(lǐng)域投入巨大，并且達(dá)到國際領(lǐng)先水平。具體可以參考HiLASE項(xiàng)目網(wǎng)站：http://www.hilase.cz/en/about-project/。

寬帶信號(hào)光經(jīng)過7級(jí)OPA放大以后，在真空中被壓縮，最終達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)：100mJ/15fs/1kHz。除了泵浦源的部分技術(shù)以外，該激光系統(tǒng)由捷克方自主研發(fā)，目前項(xiàng)目進(jìn)展順利，已經(jīng)可以達(dá)到10mJ/11fs/1kHz的輸出【2】。

L2激光束：拍瓦OPCA激光系統(tǒng)（1PW/20J/10Hz）

英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室在超強(qiáng)激光領(lǐng)域大名鼎鼎，尤其是其獨(dú)特的大能量短脈沖OPCPA技術(shù)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，ELI-BEAMLINE的L2激光就是和盧瑟福實(shí)驗(yàn)室合作的。眾所周知，OPA技術(shù)最大的難點(diǎn)之一就是如何獲取優(yōu)質(zhì)的泵浦源，因此L2激光束在泵浦源方面下足了功夫【3】，技術(shù)方案采用低溫冷卻全半導(dǎo)體泵浦的Yb:YAG放大方式，最終基頻能量可達(dá)60J, 重復(fù)頻率可達(dá)50Hz，盡顯低溫冷卻、全半導(dǎo)體泵浦以及低斯托克斯虧損Yb介質(zhì)的三重威力！經(jīng)過4級(jí)的OPA放大，信號(hào)脈沖能量可達(dá)26J,壓縮以后能量18J，脈沖寬度15fs, 脈沖對(duì)比度達(dá)1:1011，這是產(chǎn)生高品質(zhì)激光加速質(zhì)子源的最理想工具。

L3激光束：拍瓦鈦寶石激光系統(tǒng) (1PW/10Hz/30J）

坊間傳聞，由于美國勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室購買了法國Thales的PW激光系統(tǒng)，美國方面不服，游說歐盟購買一臺(tái)高重復(fù)頻率的PW激光器，這便是由利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室建造的ELI-BEAMLINE L3激光束。這可能僅僅是個(gè)八卦而已，因?yàn)槔ツ獱枌?shí)驗(yàn)室如果搞產(chǎn)業(yè)化激光器的話，絕對(duì)秒殺世界上任何一個(gè)商業(yè)化公司，其實(shí)力來建設(shè)區(qū)區(qū)一臺(tái)PW激光器絕對(duì)是小case【4】。該激光器的設(shè)計(jì)指標(biāo)是30J/1PW/10Hz, 其最大的亮點(diǎn)還是泵浦源：采用氦氣冷卻和全半導(dǎo)體泵浦技術(shù)，增益介質(zhì)選擇釹玻璃，其原因大概是基于NIF的成熟玻璃激光器放大技術(shù)。該泵浦源的前級(jí)使用的是美國CEO公司DPSS激光。PW激光系統(tǒng)的前級(jí)使用一臺(tái)前Femtolasers公司的鈦寶石kHz放大器, 輔助XPW技術(shù)進(jìn)行時(shí)間凈化和光譜展寬，后續(xù)的展寬放大和壓縮均采用成熟商用化技術(shù)，可靠性高。

L4激光束：Nd:glass/OPCPA混合放大 (10PW/130fs/單發(fā))

美國德克薩斯大學(xué)奧斯特分校的Todd Ditmire既是激光領(lǐng)域的重量級(jí)人物，也是超強(qiáng)激光產(chǎn)業(yè)化的先驅(qū)。其創(chuàng)立的National Energetics公司成功拿下ELI激光大單，建造一臺(tái)10PW、千焦量級(jí)的飛秒激光裝置，這便是Beamline 的L4激光。National Energetics和立陶宛的EKSPLA公司合作建設(shè)這個(gè)激光系統(tǒng)，美國的肖特公司和利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室也參與其中，整合超強(qiáng)激光設(shè)計(jì)、閃光燈泵浦、釹玻璃材料以及OPCPA等各方優(yōu)勢資源，最終為用戶提供一臺(tái)優(yōu)質(zhì)的激光系統(tǒng)。

該激光系統(tǒng)有兩個(gè)工作模式：

（1）10PW/單發(fā)模式：整個(gè)系統(tǒng)的所有能量都為產(chǎn)生10PW峰值功率服務(wù)，壓縮之前的納秒啁啾脈沖可以單獨(dú)導(dǎo)出服務(wù)于特定實(shí)驗(yàn)。該模式下的種子激光為一臺(tái)寬帶飛秒振蕩器，首先進(jìn)行皮秒的OPCPA預(yù)防大，展寬到納秒量級(jí)以后繼續(xù)參量放大，最終使用超大口徑閃光燈泵浦的板狀釹玻璃放大到kJ量級(jí)，壓縮器使用介質(zhì)膜光柵。

（2）2kJ/窄帶納秒輸出模式：該束線類似于NIF或者中國的神光裝置。此模式的前端是一臺(tái)獨(dú)立的激光系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間模式的靈活變換，保證激光系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，服務(wù)于不同類型的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] ELI-BEAMLINE網(wǎng)站：https://www.eli-beams.eu

[2]Franti?ek Batysta, Roman Antipenkov, Jakub Novák, Jonathan T. Green, Jack A. Naylon, Jakub Horá?ek, Martin Horá?ek, Zbyněk Hubka, Robert Boge, Tomá? Mazanec, Bed?ich Himmel, Pavel Bakule, and Bed?ich Rus, "Broadband OPCPA system with 11 mJ output at 1 kHz, compressible to 12 fs," Opt. Express 24, 17843-17848 (2016)

[3]Saumyabrata Banerjee, Paul D. Mason, Klaus Ertel, P. Jonathan Phillips, Mariastefania De Vido, Oleg Chekhlov, Martin Divoky, Jan Pilar, Jodie Smith, Thomas Butcher, Andrew Lintern, Steph Tomlinson, Waseem Shaikh, Chris Hooker, Antonio Lucianetti, Cristina Hernandez-Gomez, Tomas Mocek, Chris Edwards, and John L. Collier, "100??J-level nanosecond pulsed diode pumped solid state laser," Opt. Lett. 41, 2089-2092 (2016)